Efectul sinergic al selecției genomice, reproducției asistate și editării genetice asupra ameliorării bovinelor

IBNA Balotești

Ameliorarea este un instrument adecvat pentru îmbunătățirea durabilității creșterii animalelor deoarece rezultatele sunt permanente și cumulative. Spre deosebire de intervențiile în nutriția și sănătatea animală, care necesită intrări continue, îmbunătățirile genetice realizate într-o generație sunt transmise către următoarea generație. În plus, soluțiile genetice pentru problemele legate de sănătatea și bunăstarea animalelor necesită adesea mai puțină forță de muncă și materiale decât metodele chimice sau mecanice. De exemplu, gena „fără coarne“ poate elimina necesitatea ecornării fizice a animalelor, care este întreprinsă pentru a asigura atât siguranța lucrătorilor, cât și a animalelor, poate economisi timp și bani producătorilor de animale, alături de abordările legate de bunăstarea animalelor.

Agricultura durabilă și creșterea eficienței producției merg mână în mână. Eficiența este definită ca atingerea productivității maxime cu pierderi minime sau, cu alte cuvinte, producerea mai multor produse cu aceleași sau chiar mai puține resurse. Programele de ameliorare a animalelor, începând cu reproducerea selectivă folosind metode de predicție statistică, cum ar fi valorile de ameliorare estimate (VA) și, mai recent, selecția genomică (SG), în combinație cu tehnologiile de reproducere asistată (TRA), au permis o selecție mai precisă și o utilizare intensă de părinți superiori genetic pentru următoarea generație în vederea accelerării ratei de progres genetic. Progresul genetic este creșterea performanței medii, sau îmbunătățirea valorii de ameliorare medii într-o populație, care se realizează anual prin selecție. Performanța crescută a animalelor bazată pe ameliorare are ca rezultat creșterea producției per animal, astfel încât sunt necesare mai puține animale pentru a produce aceeași cantitate, ceea ce reduce impactul asupra mediului pe unitatea de produs animal. Prin urmare, creșterea ratelor de progres genetic poate îmbunătăți eficiența producției animale și, în cele din urmă, sustenabilitatea creșterii animalelor.

Puterea și amploarea ameliorării este bine ilustrată de eficiența crescută a populației de bovine de lapte din Statele Unite ale Americii, din 1944 până în prezent, care acum produce cu peste 80% mai mult lapte, cu 65% mai puține vaci. Acest lucru a fost posibil printr-o creștere de peste patru ori a producției de lapte per vacă, de la 2.000 kg/vacă în 1944 la 10.000 kg/vacă în 2017. Se estimează că aproximativ 50% din creșterea productivității per animal poate fi atribuită numai ratei crescute de progres genetic obținut prin utilizarea pe scară largă a însămânțării artificiale (IA) numai în dauna montei naturale. În general, scăderea dramatică a numărului de vaci de lapte (de la 25,6 milioane la 9 milioane) necesar pentru a satisface cererea de producție, în mare parte datorită creșterii productivității aduse de genetica îmbunătățită, a redus impactul actual asupra mediului al unui pahar de lapte la aproximativ o treime din cel asociat cu același pahar de lapte în 1944.

În programele de ameliorare, „ecuația amelioratorului“ este utilizată pentru a măsura rata progresului genetic (ΔG), față de obiectivul ameliorării într-un anumit sistem de producție. Ecuația este formată din patru componente:

Unde i este intensitatea de selecție (sau cât de intens au fost eliminate din animalele care au fost utilizate ca părinți ai noii generații); r este acuratețea selecției (sau cât de bine reprezintă valoarea de ameliorare estimată, valoarea de ameliorare reală a animalelor candidate la selecție; σA reprezintă diversitatea genetică (măsurată de deviația standard a valorii genetice aditive a populației); și L este intervalul de generație (lungimea acestui interval fiind calculată ca vârsta medie a părinților în momentul nașterii descendenților). Strategiile de îmbunătățire a ratelor de progres genetic într-o populație implică creșterea componentelor ecuației amelioratorului de la numărător și scăderea numitorului sau intervalului de generație. Este important de remarcat faptul că baza ameliorării este un program de reproducție bine structurat, cu un obiectiv clar, și înregistrarea informațiilor de rutină despre pedigreul și performanțele populației selectate. Informațiile genomice pot îmbunătăți în plus acuratețea matricei relațiilor de înrudire în comparație cu informațiile despre pedigreu. În cadrul unui program de reproducere structurat, biotehnologiile reproductive și moleculare, cum ar fi tehnologiile de reproducere asistată și selecția genomică, pot fi aplicate pentru a accelera și mai mult progresul genetic prin influențarea uneia sau mai multor componente ale ecuației amelioratorului. 

Pentru a crește intensitatea selecției, TRA [de exemplu, inseminarea artificială (IA) și transferul de embrioni (ET)] au fost încorporate în programele de ameliorare a bovinelor. Concomitent, dezvoltarea genotipării de mare capacitate a polimorfismelor unui singur nucleotid (SNP) a permis prin intermediul SG estimarea meritului genetic al unui animal pe baza ADN-ului său. Utilizarea SG a îmbunătățit atât acuratețea selecției, dar a și redus intervalul de generare. În plus, SG poate oferi informații despre caracterele care sunt înregistrate târziu în viață sau care sunt dificil sau costisitor de înregistrat. Mai mult decât atât, beneficiile fiecăruia dintre aceste instrumente, SG și TRA, pot fi maximizate atunci când sunt utilizate sinergic pentru a selecta cu exactitate animalele tinere, ceea ce poate reduce semnificativ intervalul de generație și în cele din urmă poate accelera progresul genetic (Fig. 1).

Editarea genomului sau a genelor este unul dintre cele mai recent dezvoltate instrumente pentru ameliorare. Această biotehnologie avansată permite crescătorilor de animale să vizeze foarte precis adăugarea, ștergerea sau înlocuirea perechilor de baze în codul genetic pentru a influența caracterele de interes. În mod specific, editarea genică se referă la utilizarea nucleazelor direcționate pe situs (adică enzime de scindare a acidului nucleic) pentru a induce rupturi dublu catenare precise în ADN, într-o locație țintită din genom. Atunci când celula încearcă să repare ruptura, poate duce la întreruperea (knockout) a unei gene sau, dacă se furnizează un șablon de acid nucleic de reparare a donatorului, inserția (knock-in) unei alele sau a unei gene din aceeași specie (intraspecie sau cisgenic) sau eventual o specie diferită (interspecie sau transgenică).

În programele de ameliorare ale bovinelor, editarea genică oferă oportunități promițătoare de a introduce variații genetice utile de la o rasă de bovine la alta, în absența unei legături nedorite sau chiar a unor caractere benefice de la diferite specii. În prezent, cercetarea editării genice la bovine s-a concentrat pe îmbunătățirea caracterelor monogenice sau mendeliane. Trăsăturile mendeliane sunt controlate de unul până la câțiva loci, fiecare având efecte consistente, iar cele mai multe sunt caractere calitative, cum ar fi culoarea robei sau prezența ori absența coarnelor. Există și gene unice cunoscute care au efecte mari asupra trăsăturilor cantitative importante. De exemplu, o mutație naturală a genei miostatinei (MSTN) prezentă la unele rase de bovine, cum ar fi Belgian Blue, are ca rezultat o creștere substanțială a caracterului cantitativ, randamentul muscular. Dacă editarea genică este utilizată pentru a viza o genă care are un efect mare asupra unei trăsături cantitative, cum ar fi MSTN, atunci are potențialul de a crește variația genetică a acelei trăsături în populație, accelerând astfel rata cprogresului genetic. Trebuie remarcat faptul că knockout-urile complete ale MSTN au dus, de asemenea, la creșterea greutății la naștere, ceea ce poate cauza distocii (adică dificultăți de fătare), astfel încât mutațiile MSTN mai precise vor fi probabil necesare pentru aplicațiile practice ale acestei ținte.

Cu toate acestea, majoritatea caracterelor ce fac obiectul ameliorării sunt poligenice și cantitative (de exemplu, marmorare, creștere, eficiență a utilizării furajului etc.). Pentru aceste caractere, genetica cantitativă și SG au fost și vor continua să fie motorul major pentru ameliorare. În plus, editarea genică la animale este posibilă numai prin utilizarea TRA. Prin urmare, potențialul acesteia poate fi realizat pe deplin numai atunci când este utilizat împreună cu TRA și SG într-un program structurat de reproducere cu un obiectiv clar de ameliorare pentru a accelera progresul genetic prin modificarea simultană a mai multor componente ale ecuației amelioratorului. (Fig. 1)

Fig. 1. – Schema ilustrează relațiile sinergice dintre selecția genomică (SG), tehnologiile de reproducere asistată (TRA) și editarea genică pentru ameliorarea bovinelor. Fundamentul ameliorării este un program de reproducere bine structurat, cu un obiectiv clar. În cadrul unui program structurat de reproducere, biotehnologiile reproductive și moleculare, cum ar fi TRA și SG, pot fi aplicate în continuare pentru a îmbunătăți progresul genetic prin afectarea uneia sau mai multor componente ale ecuației crescătorului: (1) crește intensitatea selecției (i), (2) crește acuratețea selecției (r), (3) reduce intervalul de generație (L) și (4) crește variația genetică (σA)

Mihail A. GRAS